La turbina de bajo salto o VLH ( Very Low Head Turbo-Generator) MJ2 TECHNOLOGIES S.A.R.L. INTRODUCCION De sus experiencias respectivas en las pequeñas centrales hidroeléctricas, los tres miembros fundadores de MJ2 Tecnologías llegaron a la misma conclusión en cuanto a las energías renovables y particularmente respecto al desarrollo de las pequeñas centrales hidroeléctricas. El último gran sector disponible es la cantidad considerable de ubicaciones de muy bajo salto abandonadas en el curso de los principales ríos. Millares de ubicaciones no son utilizadas en los países desarrollados porque ningún fabricante pudo concebir un grupo turbo generador que optimizara el carácter global de la inversión y permita alcanzar un coste por kW instalado razonable El objetivo de la VLH es concebir, testar científicamente y fabricar un grupo turbo generador compacto que permita revalorizar las ubicaciones hidroeléctricas de muy bajo salto con un índice de retorno de la inversión razonable. La primera VLH de 450 kW en bornes de alternador, con 2,5 m de salto con un rodete kaplan de ocho palas de 4500 mm de diámetro esta ya en marcha con unos resultados muy satisfactorios.

¿ Por qué las tecnologías existentes no funcionan para saltos muy bajos?.

La tendencia general desde la última patente significativa antes de la VLH, la de Kaplan en los años 20, siempre fue reducir la talla de la turbina. El objetivo es reducir el peso de sus elementos y por consiguiente el coste de la máquina. Esta orientación general condujo a máquinas de prestaciones excelentes con velocidades de rotación elevadas, que utilizan rodetes de diámetro reducido. Técnicamente, la evolución fue extremadamente eficaz, alcanzando resultados espectaculares, pero esta evolución es eficaz sólo para las ubicaciones importantes cuya capacidad de producción permite amortizar costes de SALTOS DEL PIRINEO Ricaro Viñas, 11 ppal 3ª 25006 LLEIDA 973222636 [email protected]

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inversión elevados. De hecho, aunque técnicamente es perfectamente posible realizar instalaciones con 2 m de salto, los cálculos de inversión hacen inviable la instalación. La evolución hacia máquinas más pequeñas y más rápidas implica un aumento exponencial de las velocidades de paso del agua a través del rodete de la turbina. Cuanto mas bajo es el salto más esencial es optimizarlo y minimizar las pérdidas de carga y las pérdidas de producción. Por todas estas razones una turbina moderna para pequeños saltos (de 1,5 a 2,5 m de salto neto) necesita una infraestructura enorme de obra civil río arriba y abajo de la turbina para minimizar las pérdidas de carga y por consiguiente su rendimiento global.

Ejemplos de instalaciones de poco salto.

Kaplan Vertical en Sifón

Grupo Bulbo

Grupo turbo generador VLH Los tres ejemplos aquí arriba utilizan el mismo caudal y el mismo salto neto. Los esquemas están dibujados a escala. Respetan los diámetros de rodetes y las dimensiones de los trabajos de obra civil para características idénticas de salto y caudal. La extensión y la complejidad de los trabajos de obra civil en cada caso son evidentes.

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Volume de Béton et Diamètre de Roue relatif à puissance constante 9

Volume de Béton & Diamètre de Roue

8 7 6

Volume de Béton

5

Diamètre de roue

4 3 2 1 0 1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2

3,6

Chute Nette

Un estudio estadístico y matemático realizado teniendo como base centenares de ubicaciones de salto bajo demuestra que hay una relación directa entre la disminución del salto y el aumento de los volúmenes necesarios de hormigón. El resultado es que considerado una potencia constante, si el salto pasa de 3 m a 1,5 m el volumen de hormigón necesario se multiplica por 5, mientras que el diámetro del rodete unicamente se dobla. Es la razón para la cual los saltos bajos son técnicamente realizables pero no son rentables. Utilizando su experiencia como diseñador de turbina y de explotador de centrales hidroeléctricas, el equipo de MJ2 fijó algunos objetivos de base y concibió y patentó un concepto que los respeta: 1. Coste en el kW instalado razonable para los equipos electromecánicos. Retorno de la inversión inferior a 5 años para el conjunto de los equipos sin obra civil. 2. Con poca obra civil para la instalación de la turbina. Sin embargo, una infraestructura mínima es necesaria. (Obra de derivación, ubicación, etc.) 3. Gran fiabilidad 4. Grupo compacto fácil de instalar y de mantener 5. Sumergible 6. 100 % ichtyophile© (literalmente amigo de los peces, “fish friendly”). 7. Tecnicamente avanzada, un diseño del siglo XXI. SALTOS DEL PIRINEO Ricaro Viñas, 11 ppal 3ª 25006 LLEIDA 973222636 [email protected]

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Basándose en estas premisas nace la VLH. La VLH es un grupo compacto extremadamente simple, de simple regulación, que incorpora un limpiarejas rotativo, y las palas se cierran sobre ellas mismas. Esta equipada con un generador de acoplamiento directo de imanes permanentes y velocidad variable. Esta solución nos da un mejor rendimiento global y una fiabilidad muy superior a una instalación clásica con multiplicador.

Es totalmente sumergiblr y puede soportar las crecidas sin daños. Esto le proporciona un funcionamiento muy silencioso y un impacto visual muy reducido.

Algunas de sus características mas especiales; muy baja velocidad de rotación (34 rpm) para rodetes grandes (de 3,5 a 5,5 m de diámetro). Velocidad de transito muy baja (menos de 2 m/s) así como otras particularidades patentadas lo hacen una turbina “ichtyophile” (amiga de los peces) que permitirá las migraciones piscícolas a través del rodete en funcionamiento y permitiendo además su remonte. Esta característica ha sido estudiada por el Consejo Superior de Pesca de Francia y tomado en consideración en la orden de concesión administrativa de nuestra instalación de Millau. Muy interesados en el estudio y en la concepción esmerada de la turbina, el CSP aceptó que la VLH podía permitir las migraciones a través de la turbina misma. Un programa de pruebas científicas con especies vivas será llevado a cabo sobre la instalación de Millau con el fin de estudiar la capacidad de los peces que descienden de subir a través de la turbina en funcionamiento.

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Programa de investigación y desarrollo

Para llegar a nuestros objetivos llevamos a cabo un programa en 3 etapas principales

1. Estudio del perfil hidraulico y del caracter “ichtyophile” de la VLH En colaboración con Instituto Nacional Politécnico de Grenoble (INPG) la optimización del perfil hidráulico ha sido realizado por Pr JL Kueny. Este estudio debía considerar restricciones técnicas, como el respeto de criterios ichtyophiles, el cierre de las palas sobre ellas mismas y una concepción mecánica simplificada. Este estudio nos llevó a la concepción de un rodete kaplan de 8 palas con un buen rendimiento y con los criterios de ichtyophilie que habíamos fijado. Modelo en 3D del canal de entrada y del distribuidor para simulaciones.

Simulation presiones sobre el rodete

Rodete Kaplan de 8 palas Simulacion paso por una pala

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2. Pruebas sobre el modelo reducido en el laboratorio hidráulico de la Universidad Laval de Québec Una prueba completa sobre modelo reducido conforme con la norma CEI se ha realizado en el laboratorio hidráulico de la Universidad Laval de Quebec. La finalidad es medir con gran precisión las producciones de la VLH bajo una gama amplia de saltos, de caudales y con variaciones en los grados de inclinación del grupo turbo generador. Estas pruebas nos darán a conocer informaciones técnicas precisas y cruciales que nos permitirán dibujar las colinas de rendimiento de la turbina Banc de test de l’Université Los primeros resultasdos fueron comunicados en la conferencia Banco de test de la Université Laval Hidroenergia 2006. Auguraban prestaciones iguales o superiores Laval a una solución clásica con multiplicador de velocidad a pesar de las restricciones que impusimos de “ichtyophilité” y de cierre de las palas sobre ellas mismas.

3. Concepción mecánica, verificación mediante cálculos de elementos finitos. La concepción detallada de los planos de ejecución ha sido verificada por el método de los elementos finitos sobre simulación CAO tridimensional. Varias iteraciones permitieron optimizar la estructura mecánico soldada para la VLH.

Simulación por el método de los elementos finitos SALTOS DEL PIRINEO Ricaro Viñas, 11 ppal 3ª 25006 LLEIDA 973222636 [email protected]

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Generador de acoplamiento velocidad variable.

directo,

imanes

permanentes

y

La VLH está equipada con un alternador acoplado directamente al eje de la turbina, cuya excitación es mediante imanes permanentes y la velocidad es variable y regulable según la caída disponible. Este generador extremadamente lento tendrá una velocidad nominal inferior a 40 rpm. Generará en frecuencia baja (cerca de 12 Hz en el caso de Millau). La energía producida será tratada por una etapa de electrónica de potencia y entregada a la red como una energía completamente estándar, de una calidad superior que respeta las normas corrientes que conciernen a los armónicos, y permiten una regulación fácil del Cos FI. Esta característica clave da a la VLH una fiabilidad mecánica excepcional gracias a su velocidad de rotación muy baja, y a una gran flexibilidad que permite una adaptación fácil para los diferentes estándares de redes eléctricas (50 o 60 Hz), incluso red aislada.

“Ichtyophilie”. Amigos de los peces Deseoso de adoptar una de las características únicas en materia de respeto de las migraciones piscícolas de la VLH, MJ2 creó un neologismo " ichtyophile " que patentó. Las especificidades de la VLH la hacen una de las primeras turbinas ichtyophile concebidas. Los principales estudios se han basado en las prescripciones técnicas del Departamento de las Energias de USA que ha realizado numerosos test en este sentido. El estudio incorporó la simulación y el cálculo de las velocidades de vertido, depresiones, superpresiones súbitas, pasos entre palas, palas y manto, palas y cubo de rodete,... He aquí la síntesis de los resultados: Velocidad periférica:

Aceptable: 6 à12 m/s

VLH: 4.5 - 8 m/s

Presión mínima

Aceptable: >69 kPa

VLH: 94 kPa

Presión máxima

Aceptable: